引言

一種液壓式制動能量再生系統(HBRS)應用于對公交車動力系統的改造。由電磁離合器、液壓泵馬達和液壓蓄能器以及相關的機械裝置和油路構成的車輛制動能量回收再生裝置，通過分動箱與公交車動力傳動裝置實現并行聯接。該系統將公交車制動時的動能轉換為蓄能器的液壓能儲存，并在車輛加速起步時將液壓能轉換為車輛的動能，從而達到節能減排的目的。

HBRS采用液壓蓄能器作為能量存儲元件。由于液壓蓄能器自身能量存儲的特點決定了系統工作特性的非線性，采用電子控制單元實時調整變量液壓泵馬達的有效排量可以優化系統的操作性能。HBRS控制系統包括周期性任務和1個事件觸發任務，可以采用時間觸發模式設計系統。本文針對HBRS控制系統建立了實時性分析模型，分析周期性任務和觸發任務的特點，設計了基于時間觸發模式的混合式任務調度器。

1 系統方案概述

在液壓式制動能量再生控制系統中，駕駛員通過操縱加速踏板和制動踏板來表達加速或減速意圖。而液壓系統中電磁方向閥的通斷、電磁離合器的結合／分離以及變量泵馬達的有效排量的調節都是由電子控制器集中控制自動完成的。控制系統方案如圖1所示。



HBRS控制系統電子控制器完成3大功能：狀態檢測、有效排量決策和有效排量執行邏輯控制。狀態檢測模塊根據傳感器數據計算當前車速、制動踏板行程、加速踏板行程、蓄能器壓力，并根據車速進行微分得到車輛加速度，然后將這些狀態信息傳遞給有效排量決策模塊。有效排量決策模塊根據制動踏板開關、加速踏板開關和系統使能開關及檔位開關判斷駕駛員操縱意圖，從而決定系統工作模式(制動能量回收模式、制動能量再生模式、制動能量保持模式或強制泄壓模式)。有效排量執行邏輯控制模塊根據車速、車輛加速度和制動踏板位置或加速踏板位置查詢最佳有效排量驅動電流匹配表，得到目標驅動電流參數，并根據車輛加速度對驅動電流做微調。如果當前系統工作模式與目標工作模式不符，則發出控制指令驅動相應開關電磁閥，使系統進人相應的工作模式，驅動電磁離合器電磁閥實現電磁離合器的結合或分離；若當前系統驅動電流與目標驅動電流不符，則有效排量執行邏輯控制模塊調整驅動電流以驅動液壓泵馬達排量調整機構，完成系統工作模式各個電磁閥的驅動和液壓泵馬達有效排量調整電流的控制。

2 實時系統建模

2．1 功能模塊劃分

功能模塊是實時系統的基礎研究對象，并且相關聯的功能模塊組成1個系統任務。在本文研究的液壓式制動能量再生控制系統中，共有13個功能模塊，如表1所列。表中周期功能模塊相對時間軸周期性運行，觸發模塊只有在制動能量再生和制動能量回收工作模式中運行。



2．2 功能模塊間的互連特征

HBRS控制系統中各功能模塊的互連特征由圖2所示，圖中箭頭表示功能模塊之間的關系(有時序關系和資源共享關系2種)，箭頭的方向表示時序，圓圈和方塊表示功能塊。圓圈的功能塊的前提條件互為與關系，方塊功能塊的前提條件是或關系，空心表示功能塊的后續操作沒有分支，實心表示功能塊具有分支，其后續功能塊的執行由分支邏輯決定：I(x，y，z)為關系，x為前提條件，y為后續任務，z為共享資源名稱。ua為車速，Iacc為加速踏板行程，lbra為制動踏板行程Pac為蓄能器壓力，a為車輛加速度，Ivg為反饋電流。C1為電磁換向閥驅動指令，C2為電磁離合器結合／分離驅動指令，C3為變量泵馬達有效排量驅動電流指令，本系統使用脈寬調制方式控制調節電流。



該模型中，有效排量決策模塊J8運行的前提條件是J1～J5先運行，即獲得各種開關狀態、車速和蓄能器壓力，缺一不可。經過邏輯判斷后決定HBRS的工作模式。J8有分支，J8判斷系統工作模式State為能量保持工作模式時，J10直接發出默認的驅動命令即可，不觸發J9。J10控制各電磁換向閥的開關狀態，控制電磁離合器的結合／分離狀態。J9在制動能量回收工作模式時，需要獲得車速、制動踏板行程，查詢最佳排量對應的控制電流，在制動能量再生工作模式時，需要獲得車速、加速踏板行程，查詢最佳有效排量對應的控制電流。J10根據當前車輛制動加速度以及反饋電流的大小，對控制電流值進行修正，并發出驅動命令到驅動模塊。J9和J10均在不同工作模式下，需要不同的傳感器信號或狀態變量，因此需要添加判斷程序，從而實現在不同工作模式下觸發不同控制程序的目的。

2．3 任務劃分

根據任務劃分原則為I／O依賴性、功能內聚、任務內斂，將13功能模塊劃分為6個任務，如表2所列。9個任務中R1～R6由系統控制處理器芯片調度實現，R7～R9由微控制器集成外設控制。J10和J11由芯片TLE6230GP實現驅動，J12則由控制芯片的PCA及擴展芯片33486A實現，并由單片機PCA模塊實現PWM信號輸出。



3 調度算法設計

當HBRS使能開關打開時，系統共有4種工作模式：制動能量回收模式、制動能量再生模式、制動能量保壓模式和制動能量強制泄壓模式。HBRS進入何種工作模式由控制系統進行邏輯判斷，因此任務R1工作模式決策組合是周期性運行的任務。若判斷系統進入制動能量保壓工作模式或強制泄壓工作模式，則直接任務R6驅動組合；R6發出控制外設的驅動命令，通過任務R7、R8運行，控制電磁換向閥的通斷實現油路的變換，控制電磁離合器的結合／分離實現HBRS與車輛原動力傳動系統的分離；若R1判斷系統進入制動能量回收工作模式或者制動能量釋放工作模式，則觸發任務R4查詢目標驅動電流值，并觸發任務R5計算車輛加速度和任務R6計算反饋電流值提供給任務R10以修正目標驅動電流值；最后，通過任務R9實現對HBRS系統有效排量的調整。

確定所需的時標間隔的過程是：為了把開銷和功耗降低到最小值，調度器的時標間隔應該設置為所有任務的運行間隔的“最大公因數”，并且滿足所有任務的運行時間都應小于調度時標間隔，以保證調度程序總是能夠在任何任務需要運行的時候調用它，還要求盡可能地避免任務的抖動。

于是，在不同的工作模式中控制系統的任務都在確定性時間段內完成檢測和驅動任務，簡化了系統設計的復雜性，更可靠，更安全。

控制系統處理器執行任務的時序如圖3所示。



4 仿真

某控制系統基于采用新華龍公司C8051F005最小系統板。首先統計該系統下單個任務運行的瞬時特征，建立實時系統分析模型，實施混合定時調度算法，并統計CPU利用率和任務延時，進行驗證。

控制系統瞬時特征數據如表3所列，其中，任務運行周期T根據系統性能的需要提出，而且，在開發平臺上是可行的，最大執行時間tE為開發平臺上反復運行并求取最大值的結果。



按照混合調度算法，該9個任務、4個處理器的實時控制系統在各個工作模式下的時序仿真結果如圖3所示，仿真忽略任務上下文切換消耗的處理器資源。根據表3，任務的最大公約數為10 ms，因此時間軸被劃分為周期為10 ms的時間片。

令時標間隔為1．5 ms，開發平臺下的HBRS混合定時調度時序如圖4所示，其中空白時間段中處理器處于休眠狀態。



圖4(a)說明了當HBRS電子控制系統在強制泄壓和保壓工作模式時處理器執行任務的時序。此時，處理器根據任務R3和R2采集的車輛工作狀態信息，經任務R1判斷系統的工作模式，若為強制泄壓或保壓工作模式則執行任務R6發出控制命令。

圖4(b)和圖4(c)說明了當HBRS電子控制系統在制動能量再生工作模式和制動能量回收工作模式時處理器執行任務的時序。2個模式的區別在于任務R4中分別觸發的子任務為J4和J5。任務R1判斷系統工作于制動能量再生工作模式，觸發任務R4查詢計算液壓泵馬達有效排量的驅動電流值并觸發任務R5采集車輛的負荷狀況對驅動電流值修正，通過任務R6發送HBRs系統各電磁方向閥、電磁離合器和液壓泵馬達的驅動命令。

結語

本文應用時間觸發模式設計了液壓式制動能量再生系統的電子控制系統混合調度器，實現了HBRS的基本功能。通過功能模塊劃分、任務劃分和時間序列的設計可以方便地設計時間觸發模式調度器。時間觸發模式設計的電子控制系統具有安全、成本低和程序簡單的特點。